第二章運算放大器靜態(tài)限制23學時

1、1第二章第二章 實際運算放大器的靜態(tài)限制實際運算放大器的靜態(tài)限制簡化運算放大器電路圖簡化運算放大器電路圖 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓低低輸入偏置電流運算放大器輸入偏置電流運算放大器輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流IOS和和VOS 同時作用時的影響同時作用時的影響輸入失調(diào)誤差補償輸入失調(diào)誤差補償2 實際運算放大器與理想運算放大器特性的一致實際運算放大器與理想運算放大器特性的一致是在是在恰當?shù)念l率和適度的直流增益條件恰當?shù)念l率和適度的直流增益條件下。下。 頻率或增益增加頻率或增益增加特性不斷惡化（因各種限制開特性不斷惡化（因各種限制開始起作用）始起作用） 最關鍵的限制之一最關鍵的

2、限制之一開環(huán)增益在幾赫茲的范圍內(nèi)開環(huán)增益在幾赫茲的范圍內(nèi)是高的，是高的，之后會隨輸入信號頻率增加，增益下降，之后會隨輸入信號頻率增加，增益下降，使閉環(huán)性能不斷惡化。使閉環(huán)性能不斷惡化。與此相關的缺點：限制運算放大器對輸入突然變化與此相關的缺點：限制運算放大器對輸入突然變化的響應速度。的響應速度。3當工作頻率限制在相對較低的水平，是否還有限制？YES尤其在高直流增益場合尤其在高直流增益場合nnososB和i交流噪聲密度e輸入失調(diào)電壓V輸入失調(diào)電流I輸入偏置電流I輸入?yún)⒖颊`差（一）、簡化（一）、簡化Op AmpOp Amp電路圖電路圖輸入級輸入級第二級第二級輸出級輸出級5NPmovvgi11輸入級

3、跨導1mg：電流鏡像和：差分對管；和Q4Q3Q21Q輸入級：輸入級：該級可以檢測該級可以檢測到反相和同相輸入電壓到反相和同相輸入電壓v vN N和和v vP P的任何不平衡，的任何不平衡，并把它轉(zhuǎn)化為單端輸出并把它轉(zhuǎn)化為單端輸出電流電流i io1o1（二）、簡化（二）、簡化Op Amp-Op Amp-輸入級輸入級6TNPAovvIiV2tanh1NPvv IA A會在會在Q Q1 1和和Q Q2 2 間均分；間均分；任何失配會使任何失配會使IA A的大部分流經(jīng)的大部分流經(jīng)Q Q1 1而一小部分流經(jīng)而一小部分流經(jīng)Q Q2 2，或相反；，或相反；小信號情況斜率（跨導）小信號情況斜率（跨導）TAmV

4、Ig21大信號情況（過度驅(qū)動輸入級）大信號情況（過度驅(qū)動輸入級）A1I達到飽和值oi（具有負反饋的（具有負反饋的Op Amp Op Amp 是在何種情況工作？）是在何種情況工作？）mV100V4TNPvv7簡化簡化Op Amp-Op Amp-第二級第二級 該級是由達林頓晶體管對Q5和Q6 ，以及頻率補償電容Cc組成。 達林頓是用于提供附加的增益和更寬的信號擺幅。 電容是用于穩(wěn)定運算放大器,防止在負反饋應用中所不希望有的振蕩產(chǎn)生。8簡化簡化Op Amp-Op Amp-輸出級輸出級 基于射級跟隨器Q7和Q8 設計的這一級是用來提供低的輸出阻抗的。雖然其電壓增益近似為1，但其電流增益還是相當高的，對

5、第二級起功率放大器的作用。9輸入偏置電流輸入偏置電流輸入級輸入級Q Q1 1和和Q Q2 2的的 和和 之間存在不可避免的失配，之間存在不可避免的失配，那么那么IP P和和IN N也必然存在失配。也必然存在失配。將兩電流的均值稱為將兩電流的均值稱為輸入輸入偏置電流偏置電流。12NPBIIINPosIIIIOSOS的幅度量級通常比的幅度量級通常比IB B小。小。IB B的極性取決于輸入晶體的極性取決于輸入晶體管類型，而管類型，而IOSOS極性則取決于失配方向。極性則取決于失配方向。（三）、輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流（三）、輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流BI輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流osI210由由IB

6、 B和和IOSOS所引起的誤差所引起的誤差在電阻反饋情況下，將有源在電阻反饋情況下，將有源輸入都置零的話，可得等效輸入都置零的話，可得等效電路如圖：電路如圖：NPIRVRRv2120/1PPPIRV00Ev 整理得：整理得：PPNIRIRRRRE21120/1其中其中利用疊加定理可得利用疊加定理可得11PPNIRIRRRRE21120/1由式由式可以得出四個結論可以得出四個結論: :1 1、無輸入信號，仍輸出無輸入信號，仍輸出Eo, Eo, 稱其為稱其為輸出直流噪聲輸出直流噪聲; ;2 2、E E0 0 是由輸入誤差是由輸入誤差( (或稱輸入直流噪聲，或稱輸入直流噪聲，E EI I) )放大放

7、大（1+R1+R2 2/R/R1 1）倍得到的，可將這個放大倍數(shù)稱為）倍得到的，可將這個放大倍數(shù)稱為直流噪直流噪聲增益聲增益; ;3 3、輸入誤差、輸入誤差E EI I由兩部分組成由兩部分組成; ;4 4、兩部分的極性相反，有互為補償?shù)内厔?。、兩部分的極性相反，有互為補償?shù)内厔荨?通常，誤差通常，誤差EoEo可能無法接受，必須采用適當?shù)姆娇赡軣o法接受，必須采用適當?shù)姆椒ò阉抵量梢越邮艿乃健７ò阉抵量梢越邮艿乃?。直流噪聲增益與信號增益的區(qū)別？直流噪聲增益與信號增益的區(qū)別？12PPNIRIRRRRE21120/1式可以表示成可以表示成2/12121120OSPBPIRRRIRRRRRE如果

8、如果21/ RRRP可消除含可消除含IB B的項的項，最后可得，最后可得osIRRRRE21120122OSBNOSBPIIIIII13式式可以看出：可以看出： 通過縮小所有的電阻可以進一步降低通過縮小所有的電阻可以進一步降低E E0 0； 如：如：將所有的電阻縮小將所有的電阻縮小1010倍不會影響增益，但倍不會影響增益，但可以使輸入誤差可以使輸入誤差 縮小縮小1010倍倍?？s小電阻會增加功率耗散，需要折中；縮小電阻會增加功率耗散，需要折中；如果如果E E0 0仍無法接受，那么選擇具更低仍無法接受，那么選擇具更低IOSOS值的運算放大器。值的運算放大器。OSIRR21osIRRRRE21120

9、114例：如圖所示的電路圖中，令例：如圖所示的電路圖中，令M2 . 2,k2221RR并令運算放大器有并令運算放大器有A80nIB和和 A20nIOS1 1、當、當R RP P=0=0時計算時計算E E0 0的值。的值。2 2、當、當 重做上題。重做上題。3 3、當同時把所有電阻縮小、當同時把所有電阻縮小倍，重做。倍，重做。、采用、采用nAnA的運算放的運算放大器，重做。大器，重做。試對這些結果給予評注。試對這些結果給予評注。 21RRRP15（三）、反饋電阻究竟應該如何設置（三）、反饋電阻究竟應該如何設置? ?運放直流噪聲增益限制了電阻取值不能太大；運放直流噪聲增益限制了電阻取值不能太大；大

10、電阻有大的熱噪聲和寄生電容；大電阻有大的熱噪聲和寄生電容；運放最大輸出電流限制了電阻取值不能太小，否則不運放最大輸出電流限制了電阻取值不能太小，否則不能驅(qū)動負載；（能驅(qū)動負載；（741741最大輸出電流最大輸出電流20mA20mA）反饋電阻的適當范圍反饋電阻的適當范圍：R Rs s、R Rf f為幾百歐至幾十千歐；為幾百歐至幾十千歐；R Rs s+R+Rf f為幾千歐至幾十千歐；為幾千歐至幾十千歐；16超高電流放大輸入的超高電流放大輸入的Op AmpOp Amp 采用具有極高電流增益的輸入采用具有極高電流增益的輸入BJTBJT是實現(xiàn)低是實現(xiàn)低 I IB B 的的一種方法。一種方法。 這種這種B

11、JTBJT稱為稱為具有超高電流放大系數(shù)晶體管具有超高電流放大系數(shù)晶體管, ,它采它采用非常薄的基極區(qū)域用非常薄的基極區(qū)域, ,使基極電流的復合分量最使基極電流的復合分量最小，可實現(xiàn)超過小，可實現(xiàn)超過10103 3A/AA/A的電流放大倍數(shù)。的電流放大倍數(shù)。 LM308LM308采用了這種技術。一般具有超高電流放大采用了這種技術。一般具有超高電流放大系數(shù)的運算放大器的系數(shù)的運算放大器的（四）低輸入偏置電流（四）低輸入偏置電流Op AmpOp Amp或更小A1nIBA5 . 1 nIOS17 電流相消實現(xiàn)低IB：由特定的電路預估對輸入晶體管進行偏置所需的基極電流，然后在內(nèi)部提供這些電流。這使得從外

12、界看來，就好像運算放大器可以在沒有任何輸入偏置電流的情況下能夠工作。 實際上，由于器件失配，相消是不完全的，因此輸入端仍會吸收殘余的電流。 輸入端殘余電流的幅度通常要比實際基極電流的幅度低一個數(shù)量級。沒有必要在具有輸入電流相消得運算放大器中安裝一個虛設電阻RP。 通常OP-07的額定值是： A1nIB和A4 . 0 nIOS2 2、輸入偏置電流相消、輸入偏置電流相消183 3、JFETJFET輸入輸入Op AmpOp Amp 這些器件采用結型場效應管（這些器件采用結型場效應管（JFETJFET）來實現(xiàn)輸入級的）來實現(xiàn)輸入級的差分對，而采用常規(guī)差分對，而采用常規(guī)BJTBJT來實現(xiàn)電路的其它部分。

13、現(xiàn)在來實現(xiàn)電路的其它部分?，F(xiàn)在IB B是是JFETJFET的柵極和溝道之間的的柵極和溝道之間的PNPN結的反相偏置電流。在室溫結的反相偏置電流。在室溫下，這個電流一般在下，這個電流一般在幾十皮安的數(shù)量級或更小幾十皮安的數(shù)量級或更小。LF356 LF356 在室溫下的額定值是在室溫下的額定值是IB B=30pA=30pA和和IOSOS=3pA =3pA 4 4、MOSFETMOSFET輸入輸入Op AmpOp Amp 當采用金屬氧化物半導體當采用金屬氧化物半導體FETFET（MOSFETMOSFET）實現(xiàn)差分輸）實現(xiàn)差分輸入對時，入對時，IB B是柵極和溝道電容的漏電流。這個電流一般是是柵極和溝

14、道電容的漏電流。這個電流一般是在在幾個皮安的數(shù)量級幾個皮安的數(shù)量級上。上。TLC279CMOSTLC279CMOS：室溫下的額定值是：室溫下的額定值是IB B=0.7pA=0.7pA和和I0S0S=0.1pA=0.1pA19輸入偏置電流漂移輸入偏置電流漂移 20（五）輸入保護（五）輸入保護 當采用具有超低輸入偏置電流的運算放大器當采用具有超低輸入偏置電流的運算放大器時時, ,為了充分實現(xiàn)這些器件的能力，需要為了充分實現(xiàn)這些器件的能力，需要特特別注意接線和電路的裝配別注意接線和電路的裝配。 在這方面在這方面, ,數(shù)據(jù)單通常會給出有用的指導原數(shù)據(jù)單通常會給出有用的指導原則。最關心的是印刷電路板上的

15、則。最關心的是印刷電路板上的漏電流。它漏電流。它們會很容易超過們會很容易超過IB B，因此使在電路設計中艱因此使在電路設計中艱難實現(xiàn)的功能失效。難實現(xiàn)的功能失效。 21保護環(huán)布局和連接保護環(huán)布局和連接22保護環(huán)布局和連接保護環(huán)布局和連接23（六）、輸入失調(diào)電壓（六）、輸入失調(diào)電壓將運算放大器的輸入短接，輸出應為零；然而由于輸入級將運算放大器的輸入短接，輸出應為零；然而由于輸入級兩部分之間存在固有的失配，輸出不為零。為使輸出等于兩部分之間存在固有的失配，輸出不為零。為使輸出等于零，必須在輸入管腳之間加入一個合適的零，必須在輸入管腳之間加入一個合適的校正電壓校正電壓，這個，這個種偏移稱為種偏移稱為

16、輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓。24由由V VOSOS產(chǎn)生的誤差產(chǎn)生的誤差OSVRRE1201直流噪聲增益直流噪聲增益25（1 1）、熱漂移）、熱漂移VosVos與與 溫度有關，可用溫度有關，可用溫度系數(shù)溫度系數(shù)TVVTCOSOS利用溫度系數(shù)的平均值和下式利用溫度系數(shù)的平均值和下式 CTVTCCVTVavgOSOSOS2525可預估不是可預估不是2525度的度的V VOSOS26（2 2）共模抑制比（）共模抑制比（CMRRCMRR）cmcmNPovavvavcmaaCMRR NosPNcmPovvvavCMRRvvavcmOSvVCMRR11V1V的的VcmVcm的變化使的變化使VosVos發(fā)生的改

17、變發(fā)生的改變27（3 3）供電電源抑制比（）供電電源抑制比（PSRRPSRR）SOSVVPSRR11V1V的的VsVs的變化使的變化使VosVos發(fā)生的發(fā)生的改變改變, , 隨頻率增加而變差隨頻率增加而變差如果將運算放大器的供電電壓如果將運算放大器的供電電壓VsVs變化一個給定的值變化一個給定的值Vs,Vs,那么就會改變內(nèi)部晶體管的工作點那么就會改變內(nèi)部晶體管的工作點, , 這將會使這將會使V V0 0發(fā)生微小發(fā)生微小的變化的變化. .1 1 采用穩(wěn)壓電源且適當旁路的電源供電，可忽略采用穩(wěn)壓電源且適當旁路的電源供電，可忽略PSRRPSRR的影響；的影響；2 2 在高精度的模擬電路中，不適合采用

18、開關電源；在高精度的模擬電路中，不適合采用開關電源；3 PSRR3 PSRR產(chǎn)生的失調(diào)電壓，還要經(jīng)直流噪聲增益的放大。產(chǎn)生的失調(diào)電壓，還要經(jīng)直流噪聲增益的放大。28供電電源抑制比（供電電源抑制比（PSRRPSRR）的例題：）的例題：如圖所示，運算放大器使如圖所示，運算放大器使用的是用的是741741，且，且R1=100R1=100和和R2R2=100k=100k。對于一個。對于一個峰峰值為峰峰值為0.1V0.1V，頻率為，頻率為120Hz120Hz的供電電源紋波，的供電電源紋波，預估輸出端紋波的典型值預估輸出端紋波的典型值和最大值。和最大值。1/PSRR1/PSRR的典型值和最大值分別為的典型

19、值和最大值分別為3030V/VV/V和和150150V/VV/V（直流處）（直流處）29(4)(4)輸出擺幅引起輸出擺幅引起VosVos的變化的變化avVS00稱為初始輸入失調(diào)電壓的表達式：列出0000TC sVOSScmOSOSSVavPSRRVCMRRvTVVVo30例：一運算放大器有如下的額定值，例：一運算放大器有如下的額定值，=10=105 5V/VV/V（典型（典型值），值），10104 4V/VV/V（最大值）；（最大值）；TC(Vos)avg=3uV/TC(Vos)avg=3uV/o oC C，以及，以及CMRRCMRRdBdB= PSRR= PSRRdBdB=100dB=100

20、dB（典型值），（典型值），80dB80dB（最小值）。在（最小值）。在下 面 的 工 作 狀 態(tài) 的 范 圍 內(nèi) ：下 面 的 工 作 狀 態(tài) 的 范 圍 內(nèi) ： 0 0o oC T 7 0C T 7 0 o oC C ，Vs=Vs=15V15V5%5%，-1V Vp 1V-1V Vp 1V和和-5V Vo 5V-5V Vo 5V，估算估算VosVos在最壞情況以及最有可能情況下的變化。在最壞情況以及最有可能情況下的變化。avPSRRVCMRRvTvTCvoscmosos)(2222)( avPSRRVCMRRvTvTCvoscmosos最壞情況最壞情況( (最大值最大值 ) )最有可能情況

21、最有可能情況31（七）（七）IOS和和Vos 同時作用時的影響同時作用時的影響IOSOSOEIRRVRRE112112信號增益信號增益直流噪聲增益直流噪聲增益輸出總失調(diào)誤差輸出總失調(diào)誤差輸入總失調(diào)誤差輸入總失調(diào)誤差0EvAvISo不論同相和反相不論同相和反相輸入輸入, , 輸入（輸輸入（輸出）總失調(diào)誤差出）總失調(diào)誤差是相同的是相同的32考慮輸入失調(diào)電壓和考慮輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，求輸輸入失調(diào)電流，求輸出電壓的表達式？出電壓的表達式？思考題思考題ov為什么在積分電路中為什么在積分電路中, , 隨著時間的變化隨著時間的變化, , 零輸入零輸入時輸出也容易飽和時輸出也容易飽和( (常出現(xiàn)的問題

22、常出現(xiàn)的問題)?)?微調(diào)微調(diào)33（八）輸入失調(diào)誤差補償（八）輸入失調(diào)誤差補償內(nèi)部失調(diào)調(diào)零內(nèi)部失調(diào)調(diào)零內(nèi)部調(diào)零基于故意使輸入級失衡，以補償固有失配，并使內(nèi)部調(diào)零基于故意使輸入級失衡，以補償固有失配，并使誤差為零。采用一個外部微調(diào)，就可以引入這種失衡。誤差為零。采用一個外部微調(diào)，就可以引入這種失衡。741C741C數(shù)據(jù)單可以發(fā)現(xiàn)，失調(diào)電壓可調(diào)范圍一般是數(shù)據(jù)單可以發(fā)現(xiàn)，失調(diào)電壓可調(diào)范圍一般是15mV, 15mV, 這表明必須使這表明必須使mVEI15才會讓電路補償成功。既然才會讓電路補償成功。既然741C741C的的Vos=6mVVos=6mV最大值，這給最大值，這給 Ios os 引起的失調(diào)分配了引起的失調(diào)分配了9mV9mV。如果超過。如果超過9mV, 9mV, 就必須縮小就必須縮小外部電阻值，或采取外部調(diào)零。外部電阻值，或采取外部調(diào)零。輸入失調(diào)電流限制了外部電阻的選擇輸入失調(diào)電流限制了外部電阻的選擇34如圖采用如圖采用741C741C的運算放的運算放大器大器（失調(diào)電壓可調(diào)范失調(diào)電壓可調(diào)